Astrofisica: massa negativa per spiegare materia ed energia oscura

Si chiama materia oscura quella componente di materia di cui si osservano gli effetti gravitazionali, ma che non emette alcuni tipo di radiazione elettromagnetica e quindi risulta del tutto invisibile agli attuali strumenti di osservazione. La luce e tutti i raggi cosmici che i telescopi possono captare infatti sono onde elettromagnetiche e praticamente tutte le scoperte nel campo dell’astrofisica fino ad oggi si sono basate su questo tipo di osservazione.

Fidandosi ciecamente della teoria della relatività generale di Einstein – non a caso, ci sono numerose prove sperimentali che dimostrano la veridicità del celebre fisico – che descrive l’interazione gravitazionale su scala macroscopica e continua (cioè fuori dal dominio della meccanica quantistica) però ci si accorge di alcuni fenomeni inspiegabili utilizzando le informazioni che arrivano dai telescopi. Ad esempio misurando la velocità di rotazione delle stelle nelle galassie a spirali, che dovrebbe seguire la seconda legge di Keplero, è molto maggiore di quella stimata. Altri fenomeni inspiegabili sono le lenti gravitazionali, provocate dalla deviazione della luce per effetto di grandi masse. Quando la teoria va in contrasto con le osservazioni sperimentali si è sempre arrivati a scoprire qualcosa di nuovo. Se circa il 90% della massa dell’universo è del tutto invisibile un problema di qualche tipo deve esserci. Difficile confutare la relatività generale di Einstein, quindi l’unica soluzione è ammettere che c’è qualcosa che non conosciamo: la materia oscura.

Esempio di lente gravitazionale, rappresentazione artisitca

L’energia oscura è invece stata ideata per spiegare un fenomeno diverso. Il modello più accreditato per l’origine dell’universo è attualmente quello del Big Bang. Da una minuscola singolarità poi fragorosamente esplosa si sarebbe originato l’universo, il quale sarebbe semplicemente una bolla di materia in espansione. In pratica l’esplosione del Big Bang avrebbe dato la “botta” iniziale all’universo che in un attimo infinitesimo ha raggiunto dimensioni inimmaginabili – questa fase è detta inflazione. Una volta terminata la fase di inflazione, la forza espansiva dovrebbe essere cessata e quindi dalle leggi della meccanica ci saremmo aspettati che l’universo cominciasse a contrarsi. Invece le osservazioni sperimentali che non lo sta facendo, anzi: osservazioni sulle velocità delle galassie confermano che il tutto sta addirittura accelerando l’espansione! Ancora una volta, a meno di riformulare delle teorie fisiche ormai consolidate, ci siamo dovuti arrendere all’idea che esista una strana forza che non conosciamo, l’energia oscura.

L’inflazione e l’espansione dell’universo

Una nuova teoria potrebbe far luce su questi oscuri misteri dell’universo.

Materia oscura ed energia oscura: l’ipotesi della massa negativa

La teoria è stata sviluppata dall’astrofisico Jamie Farnes dell’Università di Oxford e pubblicata sulla rivista scientifica Astronomy & Astrophysics. La nuova ricerca ipotizza che materia oscura ed energia oscura siano in realtà due manifestazioni di un unico fenomeno, una sorta di fluido dotato di massa negativa – che quindi accelera nella direzione opposta a quella in cui viene spinta, dalla legge di Newton F = ma – e quindi di gravità negativa – cioè che tende a respingere le masse vicine. Su questo fluido sarebbe immersa la materia ordinaria con massa positiva.

Per capire meglio quale sia il senso di una massa negativa proviamo a ragionare un attimo. Il concetto stesso di forza è legato ad una carica, cioè una proprietà intrinseca della materia. Le forze fondamentali che governano il cosmo sono quattro: interazione elettromagnetica, interazione gravitazionale, interazione nucleare debole ed interazione nucleare forte. La carica della forza elettromagnetica è la carica elettrica e quella magnetica; la carica della forza gravitazionale è la massa; la carica della forza nucleare forte è la carica di colore; la carica della forza nucleare forte è la carica di sapore (sì, i fisici non sapevano più che pesci pigliare).

Descrizione delle interazioni elettriche  e legge di Coulomb

Prendiamo come ad esempio la forza elettromagnetica che è quello che possiamo toccare con mano: il suo funzionamento è basato su due tipi di carica, positiva e negativa (nord e sud nel caso di fenomeni magnetici). Cariche dello stesso tipo si respingono, cariche opposte si attraggono, secondo la legge di Coulomb. Per la gravità non è così: la massa è sempre stata considerata una carica unicamente positiva. La forza tra due masse positive è attrattiva. Si può quindi ipotizzare che nel caso esistesse la massa negativa, le cose funzioni all’opposto rispetto a quello che accade con l’interazione elettromagnetica: masse di segno diverso si respingerebbero, ecco perché non abbiamo mai avuto occasione di osservarla noi che siamo costituiti di massa positiva. Queste sono solo ipotesi abbastanza campate per aria, la teoria vera e propria è molto più complessa; vogliamo solo dare un senso al concetto di massa negativa.

Descrizione delle interazioni gravitazionali e legge di gravitazione universale, da notare come le due masse positive si attraggono, al contrario di quanto accade sopra

Nle 1918, il buon vecchio Albert Einstein che dopo 100 anni ancora continua a stupire, aveva ipotizzato l’esistenza della materia oscura ed energia oscura inserendo nelle sue equazioni un parametro fisso ovvero la costante cosmologica su cui si basava un modello si universo statico – cioè fermo, non in espansione. Oggi invece, date le confutazioni al modello statico (lo stesso Einstein ammise l’errore), la costante cosmologica è associata all’energia oscura. In ogni caso, definendola, il grande fisico sembrò suggerire la possibilità che l’universo fosse permeato di massa negativa.

Questa ipotesi era stata scartata in seguito perché a causa dell’espansione dell’universo essa dovrebbe diventare sempre più rarefatta e quindi affievolire il suo effetto, le osservazioni sull’energia oscura invece affermano il contrario: l’universo sta accelerando. Il professor Farnes però avrebbe brillantemente risolto il paradosso ipotizzando una continua produzione di massa negativa: la sua quantità sarebbe dunque invariante all’espansione dell’universo, anzi potrebbe addirittura crescere nel tempo. La teoria potrebbe essere confermata o smentita in futuro dalle osservazioni dello Square Kilometre Array (Ska),  il più grande radiotelescopio al mondo in costruzione in Sudafrica e Australia. Il fisico di Oxford ha dichiarato:

Se l’ipotesi supererà la prova vorrà dire che il 95% dell’universo che non conosciamo ha una elegante soluzione: basterà includere un semplice segno meno.

Forse non è proprio semplicissimo da comprendere, ma per un fisico sarebbe una grande sollievo: non servirebbe costruire un nuovo modello – casa davvero difficile -, ma basterebbe utilizzare le vecchie equazioni applicando un segno meno quando necessario. Certo le soluzioni potrebbero essere tutt’altro che semplici a quel punto.

Ci sono ancora numerosi misteri da svelare, la ricerca ha molto su cui lavorare

Ci sono ancora molti misteri nell’universo. Tante cose come materia ed energia oscura che non riusciamo ad osservare, ma che fanno sentire la loro presenza. Una grande speranza viene dalle onde gravitazionali: al pari delle onde elettromagnetiche possono veicolare grandi quantità di informazioni invisibili ai normali telescopi. Probabilmente grandi scoperte ci attendono e noi della sezione scienze saremo qui per raccontarvele!